JPWO2019167477A1

JPWO2019167477A1 - ２次元分光法及び２次元分光装置

Info

Publication number: JPWO2019167477A1
Application number: JP2019509003A
Authority: JP
Inventors: 薫美濃島; 峰士加藤
Original assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Current assignee: THE UNIVERSITY OF ELECTRO-COMUNICATINS
Priority date: 2018-03-02
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2021-01-07
Anticipated expiration: 2039-01-22
Also published as: WO2019167477A1; JP7272652B2

Abstract

本発明の２次元分光法では、所定の周波数分布を有する光パルスが時系列に複数配された光パルス列が複数に分けられた分割光パルス列のうち、一方の分割光パルス列が被測定物体の測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列のそれぞれと複数に分けられた前記分割光パルス列のうち他方の前記分割光パルス列とを干渉させ、生成される干渉信号から前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報を取得する。

Description

本発明は、２次元分光法及び２次元分光装置に関する。本願は、２０１８年３月２日に、日本に出願された特願２０１８−０３８１０２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

従来、分光情報を得る手法として、撮像法やフーリエ変換赤外分光法（Fourier Transform Infrared Spectroscopy：ＦＴ−ＩＲ）、分散型の赤外分光法などをはじめとする多くの手法が用いられている。これらの手法では、２次元の空間情報と１次元の波長情報とを同時に得ることは困難であった。以下、２次元の空間情報と１次元の波長情報とをまとめて、２次元分光情報という場合がある。

近年、天文学や地球科学、物性分野などの学術分野では、２次元分光情報に含まれる各情報を同時にリアルタイムで取得可能な２次元分光への期待が高まっている。２次元分光は、面分光、あるいはハイパースペクトルイメージングとも呼ばれる。２次元分光情報が得られれば、例えば取得データから任意の波長の画像を抽出でき、例えば銀河などの拡がった天体について詳細に解析できる。従来の２次元分光法では、例えば２次元平面の各点（複数の測定領域）をスキャンしつつ、各点についてＦＴ−ＩＲを行い、２次元分光情報を取得できる。ところが、従来の２次元分光法では時間掃引に時間がかかるため、測定光路上の空気揺らぎによる影響を受けるという問題や、動的対象物の計測を行えない等の問題があった。一方、一度に２次元分光情報を取得できれば、空気揺らぎなどの影響を受けずに様々な動的対象物の分光計測を正確に行うことができる。

２次元分光の手法としては、２次元の空間情報と１次元の波長情報とを、例えば回折格子を用いて一度に取得する手法や、可変バンドパスフィルタで透過させる波長帯を掃引しながら取得する手法などが挙げられる。非特許文献１には、スライサー（Slicer）と呼ばれ、かつ、細長いミラーが複数配置された光学素子を備えたイメージスライサー型面分光ユニットが開示されている。非特許文献２及び非特許文献３には、可変バンドパスフィルタで透過させる波長帯を掃引しつつ、２次元の空間情報と１次元の波長情報とを取得する手法に適用可能な可変バンドパスフィルタが開示されている。

北川祐太朗、「次世代を見据えたイメージスライサー型近赤外面分光ユニットの開発」、第４４回天文・天体物理若手夏の学校(2014). H. R. Morris, C. C. Hoyt, P. Miller and P. J. Treado, "Liquid Crystal Tunable Filter Raman Chemical Imaging," Appl. Spectrosc. Vol. 50, No. 6, pp. 805-811 (1996). K. A. Christensen, N. L. Bradley, M. D. Morris, and R. V. Morrison, "Raman Imaging Using a Tunable Dual-Stage Liquid Crystal Fabry-Perot Interferometer," Appl. Spectrosc. Vol. 49, No. 8, pp. 1120-1125 (1995).

しかしながら、非特許文献１に開示されているイメージスライサー型面分光ユニットを用いた場合、空間情報の分解能は撮像された画像の分割数に依存し、空間情報の分割数は最大でも２４程度に抑えられるが、波長情報の半値幅は１ｎｍ程度に縮小できる。一方、非特許文献２に開示されている可変バンドパスフィルタで異なる波長帯の光を透過させて２次元の空間情報と１次元の波長情報とを取得すると、空間分解能が画像素子と略同等にまで向上する。非特許文献２や非特許文献３に開示されているイメージング装置では、非特許文献３に記載されているように、例えばファブリペローフィルタの熱膨張を抑えるために±０．１℃の温度安定度が求められる。つまり、従来の２次元分光では、高解像度と高分解能とを両立させることは難しいという問題があった。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、高解像度及び高分解能を両立可能な２次元分光法及び２次元分光装置を提供する。

本発明の２次元分光法は、相対的なチャープ量が異なる第１の光パルス列及び第２の光パルス列を生成する光パルス列生成工程と、前記第１の光パルス列を、被測定物体の互いに異なる測定領域に照射する光パルス列照射工程と、前記第１の光パルス列が前記被測定物体の前記測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列のそれぞれと、前記第２の光パルス列とを干渉させて生成される干渉信号を計測する干渉信号計測工程と、前記干渉信号から前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報を取得する波長情報取得工程と、を備える。

上述の２次元分光法では、前記光パルス列照射工程において、前記第１の光パルス列及び前記第２の光パルス列の少なくとも１つの光パルス列のチャープ量を調整することによって、前記波長情報取得工程において取得する前記波長情報の分解能を変化させてもよい。

上述の２次元分光法では、前記干渉信号は互いに異なり干渉縞周波数が最も低い波長を示す干渉縞を有してもよい。前記波長情報取得工程において、前記干渉縞周波数が最も低い波長を前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報として取得してもよい。

上述の２次元分光法では、前記波長情報取得工程において、前記受光対象光パルス列に所定の遅延時間を付加して前記干渉信号を得るとともに、前記干渉信号を透過率の波長依存性を互いに逆としたフィルタを通過させた透過強度を取得し、取得した透過強度の比に基づいて前記被測定物体の前記測定領域ごとのスペクトル情報を取得してもよい。

本発明の２次元分光装置は、相対的なチャープ量が異なる第１の光パルス列及び第２の光パルス列を生成する光源部と、前記光源部から出射された前記第１の光パルス列を、被測定物体の互いに異なる測定領域に照射する光パルス列照射部と、前記第１の光パルス列が前記被測定物体の前記測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列のそれぞれと前記第２の光パルス列との干渉信号を生成する干渉信号生成部と、前記干渉信号生成部で生成された前記干渉信号に基づいて前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報を取得する波長情報取得部と、を備える。

上述の２次元分光装置において、前記干渉信号は互いに異なり干渉縞周波数が最も低い波長を示す干渉縞を有してもよい。前記波長情報取得部では、前記干渉縞周波数が最も低い波長が前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報として取得されてもよい。

上述の２次元分光装置において、前記干渉信号生成部は前記受光対象光パルス列に所定の遅延時間を付加する遅延時間調整機構を備え、前記波長情報取得部は透過率の波長依存性が互いに逆になっているペアフィルタを備えてもよい。

本発明によれば、高解像度及び高分解能を両立可能な２次元分光法及び２次元分光装置が提供される。

本発明の２次元分光法を説明するための図であり、チャープ光パルス列の模式図である。光周波数コムの時間軸上の電場分布（上段）及び周波数軸上の強度分布（下段）を説明するための模式図である。本発明の第１実施形態の２次元分光装置の構成を示す上面図である。図３に示す２次元分光装置の変形例の構成を示す上面図である。図３に示す２次元分光装置において干渉信号が生成される原理及び被測定物体の１つの測定領域の波長情報を説明するための模式図である。図３に示す２次元分光装置の波長情報取得部の具体的構成の一例を示す上面図である。図６に示す２次元分光装置の干渉信号生成部の一部の構成を示す模式図である。図６に示す２次元分光装置に適用可能なペアフィルタの透過率の波長依存性を示すグラフである。図６に示す２次元分光装置に適用可能なペアフィルタの透過強度の遅延時間依存性を示す模式図であり、ペアフィルタの一方のフィルタ（Ｆ１）の透過強度の遅延時間依存性を示す図である。図６に示す２次元分光装置に適用可能なペアフィルタの透過強度の遅延時間依存性を示す模式図であり、ペアフィルタの他方のフィルタ（Ｆ２）の透過強度の遅延時間依存性を示す図である。図６に示す２次元分光装置に適用可能なペアフィルタの透過強度の遅延時間依存性を示す模式図であり、ペアフィルタの透過強度の比の遅延時間依存性を示す図である。

以下、本発明の２次元分光法及び２次元分光装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

［原理的説明］
はじめに、本発明の２次元分光法の原理について、説明する。本発明の２次元分光法は、光パルス列生成工程と、光パルス列照射工程と、干渉信号計測工程と、波長情報取得工程と、を備える。光パルス列生成工程では、相対的なチャープ量が異なる第１の光パルス列及び第２の光パルス列を生成する。光パルス列照射工程では、第１の光パルス列を、被測定物体の互いに異なる測定領域に照射する。干渉信号計測工程では、第１の光パルス列が被測定物体の測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列のそれぞれと第２の光パルス列とを干渉させ、干渉によって生成される干渉信号を計測する。波長情報取得工程では、干渉信号から被測定物体の測定領域ごとの波長情報を取得する。

本発明の一実施形態の２次元分光法は、照射する光パルス列照射工程において、２つの光パルス列のうち、少なくとも一方の光パルス列を、時間軸に対する所定の周波数分布を有する光パルスが時系列に複数配された光パルス列（いわゆる、チャープ光パルス列）とする。すなわち、２つの光パルス列のうち、少なくとも一方の光パルス列をチャープさせる。

図１は、時間軸に対する所定の周波数分布を有する光パルスＣＰ（ｋ）が時系列に複数配された光パルス列（チャープ光パルス列）ＡＰの模式図である。ｋは、任意の自然数であり、光パルスの時間軸上の番号を表す。それぞれの光パルスＣＰ（ｋ）では、時間軸上で周波数が連続的に変化する。以下、光パルス列ＡＰをチャープ光パルス列ＡＰという場合がある。チャープ光パルス列ＡＰの生成手法は特に限定されない。本実施形態では、チャープ光パルス列ＡＰの生成手法の一例として、光周波数コムを分散媒質に通過させることによってチャープ光パルス列ＡＰを得る手法について説明する。

図２は、光周波数コムの時間軸上の電場分布（上段）及び周波数軸上の強度分布（すなわち、スペクトル分布、下段）を示す模式図である。図２に示すように、光周波数コムのパルスの時間幅τと周波数の広がりΔνとの間には、（１）式に示す関係が成り立つ。

図２の上段に示すように、一定の繰り返し時間Ｔ_ｒｅｐで発振される光パルス列は、周波数軸上で見ると一定の周波数間隔ｆ_ｒｅｐを有する。繰り返し時間Ｔ_ｒｅｐと周波数間隔ｆ_ｒｅｐとの間には、（２）式に示す関係が成り立つ。

それぞれの光パルス列は、光源の共振器等の内部で伝搬する多くの縦モードの重ね合わせから成り立っている。光パルス列は、これらの縦モードの重ね合わせの波である搬送波と、搬送波の包絡線を構成する波束によって構成されている。搬送波は、キャリアとも呼ばれる。搬送波の包絡線は、エンベロップとも呼ばれる。搬送波の速度と波束の速度は互いに異なるため、時間の経過に伴い、位相差が生じる。レーザー共振器は分散媒質によって構成される。時間軸上で所定の時間Ｔ_ｒｅｐの時間間隔ごとに繰り返し発せられる光パルス列では、隣り合うパルス間に位相のずれφ_ＣＥＯが生じる。位相のずれφ_ＣＥＯの周期は、時間Ｔ_ＣＥＯで一周期する。繰り返し時間Ｔ_ｒｅｐ、時間Ｔ_ＣＥＯ及び位相のずれφ_ＣＥＯの間には、（３）式に示す関係が成り立つ。

時間軸上における上述の超短パルス列をフーリエ変換し、周波数軸上で観測すると、図２の下段に示すように、互いに時間間隔Ｔ_ｒｅｐの逆数に相当する繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐの間隔をあけて並んだ多数の周波数モードが観測される。光周波数コムの全体のスペクトル幅は、超短光パルスの時間幅の逆数（１／τ）に相当する。

図２の下段に示すように、光周波数コムのキャリア・エンベロップ・オフセット（ＣａｒｒｉｅｒＥｎｖｅｌｏｐｅＯｆｆｓｅｔ：ＣＥＯ）ｆ_ＣＥＯは、時間Ｔ_ＣＥＯの逆数に相当する。そして、キャリア・エンベロップ・オフセットｆ_ＣＥＯ、位相のずれφ_ＣＥＯ、時間Ｔ_ＣＥＯの間には、（４）式に示す関係が成り立つ。

光コムのｍ番目のスペクトルの周波数は、繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐとキャリア・エンベロップ・オフセットｆ_ＣＥＯとをパラメータとして、（５）式のように表される。

上述の相互関係をふまえ、光周波数コムをなす複数の周波数モードに関するパラメータを制御することで、搬送波や包絡線を制御できる。さらに、生成された光周波数コムに適当な分散を与えることによって、所望のチャープ量を有するチャープ光パルス列ＡＰが得られる。

［２次元分光装置］
図３は、本発明の２次元分光装置１Ａの構成を示す上面図である。図３に示すように、２次元分光装置１Ａは、光パルス列ＡＰを出射する光源３と、ハーフミラー１２と、光パルス列照射部４と、干渉信号生成部６と、波長情報取得部８と、を備える。ハーフミラー１２は、光源３から出射された光パルス列ＡＰを複数（図３では２つ）の分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２に分ける。光パルス列照射部４は、分割光パルス列（第１の光パルス列）ＤＰ１を、被測定物体Ｓの互いに異なる測定領域に照射する。干渉信号生成部６は、分割光パルス列ＤＰ１が被測定物体Ｓの測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列ＥＰのそれぞれと分割光パルス列（第２の光パルス列）ＤＰ２との干渉信号ＩＭＧを生成する。波長情報取得部８は、干渉信号ＩＭＧに基づいて被測定物体Ｓの測定領域ごとの波長情報を取得する。なお、光源３及びハーフミラー１２は、相対的なチャープ量が異なる分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２を生成する光源部として機能する。

光源３は、上述したように所望のチャープ量で制御された光パルス列ＡＰを出射する。
光パルス列照射部４は、ハーフミラー１２，１４及び全反射ミラー１６を備える。

図３に示す構成では、光源３から発せられた光パルス列ＡＰがハーフミラー１２によって分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２に分けられる。分割光パルス列ＤＰ１は、ハーフミラー１２及び全反射ミラー１６によって反射され、ハーフミラー１４を透過し、被測定物体Ｓに照射される。分割光パルス列Ｄ１は、被測定物体Ｓから反射されるとともに被測定物体Ｓの分光情報を含み、受光対象光パルス列ＥＰとなって、ハーフミラー１４で反射され、干渉信号生成部６に入射する。一方、ハーフミラー１２によって分けられた分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２のうち分割光パルス列ＤＰ２は、そのまま干渉信号生成部６に入射する。

なお、受光対象光パルス列ＥＰに被測定物体Ｓの分光情報が含まれればよい。そのため、分割光パルス列ＤＰ１が被測定物体Ｓの測定領域のそれぞれに作用する際、上述のように分割光パルス列ＤＰ１は、被測定物体Ｓに入射した後、被測定物体Ｓから反射してもよく、図４に示すように被測定物体Ｓを通過（透過）してもよい。図４は、本実施形態の２次元分光装置１Ａの変形例である２次元分光装置１Ｂの構成を示す上面図である。図４の構成では、被測定物体Ｓは、全反射ミラー１６と全反射ミラー１５との間に配置される。

図３及び図４では、光パルス列ＡＰ、分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２及び受光対象光パルス列ＥＰの光軸のみを図示しているが、これらの光パルス列は、不図示の光学系などによって拡散、集光及びコリメートされている。

図５は、干渉信号が生成される原理及び被測定物体Ｓの一測定領域の波長情報を説明するための模式図である。図５に示すように、干渉信号生成部６では、分割光パルス列ＤＰ２と受光対象光パルス列ＥＰが互いに異なる方向からビームスプリッター２２に入射し、合わさる。一例として、干渉信号生成部６では、正チャープの分割光パルスＤＰ２と負チャープの受光対象光パルス列ＥＰとの干渉信号ＩＭＧが生成される。「負チャープ」は、波長軸（周波数軸）において正チャープとは逆のチャープを表す。分割光パルス列ＤＰ２と受光対象光パルス列ＥＰを仮にビームスプリッター２２で合わせ、生成された干渉信号ＩＭＧを回折格子２４で波長分離した場合は、図５に示す＜Ａ＞，＜Ｂ＞，＜Ｃ＞の各分布が得られる。図５の＜Ａ＞のグラフは、波長と距離に換算した遅延時間との関係を示している。図５の＜Ｂ＞のグラフは、波長と干渉信号ＩＭＧ及び包絡線ＥＶの強度との関係を示している。図５の＜Ｃ＞のグラフは、遅延時間と包絡線ＥＶの強度との関係を示している。

本実施形態の波長情報取得部８は、干渉信号生成部６に連結しており、例えば干渉信号ＩＭＧを複数の画素ごとに検出可能な受光素子及びコンピュータに組み込まれたプログラムなどによって構成されている。

［２次元分光法］
本発明の２次元分光法は、光パルス列照射工程と、干渉信号計測工程と、波長情報取得工程と、を備える。光パルス列照射工程では、時間軸に対する所定の周波数分布を有する光パルスが時系列に複数配された光パルス列ＡＰが複数に分けられた分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２のうち、一方の分割光パルス列ＤＰ１を、被測定物体Ｓの互いに異なる測定領域に照射する。干渉信号計測工程では、分割光パルス列ＤＰ１が被測定物体Ｓの測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列ＥＰのそれぞれと分割光パルス列ＤＰ２とを干渉させて生成される干渉信号ＩＭＧを計測する。波長情報取得工程では、干渉信号ＩＭＧから被測定物体Ｓの測定領域ごとの波長情報を取得する。図３に示す２次元分光装置１Ａを用いて、上述の各工程を行うことができる。

光パルス列照射工程では、光源３から出射された光パルス列ＡＰをハーフミラー１２で少なくとも２つの分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２に分け、一方の分割光パルス列ＤＰ１を全反射ミラー１６で反射させた後にハーフミラー１４を透過させ、被測定物体Ｓの互いに異なる測定領域に照射する。分割光パルス列ＤＰ１は、被測定物体Ｓから反射し、被測定物体Ｓの分光情報を波長情報として保有する。光パルス列照射工程では、分割光パルス列ＤＰ１を、受光対象光パルス列ＥＰとしてハーフミラー１４で反射させ、干渉信号生成部６に入射させる。

本実施形態の２次元分光法では、２つの分割光パルス列ＤＰ１，ＤＰ２のうちの分割光パルス列ＤＰ２をハーフミラー１２において透過させ、干渉信号生成部６に入射させる。本実施形態では、分割光パルス列ＤＰ２は、チャープ光パルス列である受光対象光パルス列ＥＰに対してチャープフリーである。ただし、分割光パルス列ＤＰ２が受光対象光パルス列ＥＰに対してチャープフリーである替わりに、分割光パルス列ＤＰ２に受光対象光パルス列ＥＰとは時間軸上で逆向きのチャープがかかっていてもよい。

干渉信号計測工程では、互いに異なる方向から干渉信号生成部６に入射した受光対象光パルス列ＥＰと分割光パルス列ＤＰ２とを合わせ、干渉信号ＩＭＧを生成する。干渉信号ＩＭＧは、互いに異なり、且つ干渉縞周波数が最も低い波長を示す干渉縞を有する。図５の＜Ｂ＞のグラフに示すように、干渉信号ＩＭＧには、波長軸上の間隔が不均一である干渉縞が複数出現する。「最も低い」とは、干渉信号ＩＭＧに含まれる干渉縞周波数の中で相対的に最も低いことを意味し、波長軸上の間隔が最も広いことを意味する。

波長情報取得工程では、前述の干渉縞周波数が最も低い波長を前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報として取得する。具体的には、受光素子によって干渉信号ＩＭＧを検出する。例えば、分光測定のターゲット波長帯が近赤外であれば、受光素子として、ＩｎＧａＡｓのＶＧＡ程度のアレイセンサや撮像素子を適用できる。分光測定時の波長帯が可視光であれば、受光素子として、Ｓｉからなる８Ｋの画像素子を用いることができる。その他に、受光素子としては、遠赤外のボロメーターやＸ線のシンチレータ方式、紫外域のＣＣＤの画像素子が挙げられる。

波長情報取得工程では、遅延時間（Ｄｅｌａｙ）を変化させ、光パルス列ＡＰのスペクトル形状と略同じ包絡線ＥＶを有する干渉信号ＩＭＧを得る。包絡線ＥＶの強度のピーク値は、光源３から出射される光パルス列ＡＰの強度に依存する。

図６は、図３に示す２次元分光装置１Ａの波長情報取得部８の具体的な構成の一例を示した２次元分光装置１Ｃの上面図である。図６に示す２次元分光装置１Ｃは、図３に示す２次元分光装置１Ａの基本構成に加え、波長情報取得部８として、ハーフミラー３１と、全反射ミラー３２と、ペアフィルタＰＦと、２台の撮像カメラ（撮像部）４１，４２と、画像処理部５０と、を備える。撮像カメラ４１，４２は、互いに同じ画素数を有する。

２次元分光装置１Ｃでは、分割光パルス列ＤＰ１の進路上において、ハーフミラー１４が全反射ミラー１６の手前側に配置されている。被測定物体Ｓは、ハーフミラー１４を透過する分割光パルス列ＤＰ１の進路上に配置されている。被測定物体Ｓに入射した分割光パルス列ＤＰ１には、被測定物体Ｓの各測定領域の波長情報（分光情報）が付加される。分割光パルス列ＤＰ１は、各測定領域の波長情報を含む受光対象光パルス列ＥＰとしてハーフミラー１４に向けて反射される。受光対象光パルス列ＥＰは、ハーフミラー１４及び全反射ミラー１６によって反射され、２次元分光装置１Ａ，１Ｂと同様に干渉信号生成部６に入射する。

図７は、２次元分光装置１Ｃにおける干渉信号生成部６の一部の構成を示す模式図である。図７に示すように、干渉信号生成部６に入射した受光対象光パルス列ＥＰには、例えば遅延時間調整機構２６によって、所定の遅延時間が付加される。遅延時間調整機構２６は、それぞれの反射面２７ｒが対向するように配置された２個の全反射プリズム２７を有する。遅延時間調整機構２６が不図示の制御部によって矢印Ｍに沿って移動することによって、受光対象光パルス列ＥＰの光路長が変わる。遅延時間調整機構２６の移動量に応じた遅延時間が受光対象光パルス列ＥＰに付加される。

なお、図示していないが、２次元分光装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、互いに位相差を有する干渉信号ＩＭＧを取得する構成を備える。このような構成では、例えば分割光パルス列ＤＰ２をさらに２つに分け、一方の分割光パルス列ＤＰ２の位相を他方の分割光パルス列ＤＰ２に対して所定量（好ましくは、９０°）ずらし、それぞれの分割光パルス列ＤＰ２と受光対象光パルス列ＥＰとを干渉させ、生成されるそれぞれの干渉信号の包絡線強度を取得する。取得した包絡線強度は、波長情報取得部８に入射する。

受光対象光パルス列ＥＰには、干渉信号生成部６に入射した分割光パルス列ＤＰ２と所定の遅延時間が付加される。受光対象光パルス列ＥＰは例えばビームスプリッター２２によって合波され、干渉信号ＩＭＧが生成される。図６に示すように、干渉信号ＩＭＧ（合波光パルス列ＭＰ）は、干渉信号生成部６からハーフミラー３１に入射する。ハーフミラー３１によって、干渉信号ＩＭＧは２つに分けられ、一方の干渉信号ＩＭＧ１は、全反射ミラー３２によって反射され、ペアフィルタＰＦのフィルタＦ１に入射する。他方の干渉信号ＩＭＧ２は、ハーフミラー３１からフィルタＦ２に入射する。なお、フィルタＦ１，Ｆ２は、撮像カメラ４１，４２の入射部に一体化されていてもよい。

図８は、ペアフィルタＰＦを構成するフィルタＦ１，Ｆ２の透過率の波長依存性の一例を示すグラフである。図８に示すように、ペアフィルタＦ１，Ｆ２の透過率の波長依存性は、互いに逆であることが好ましい。フィルタＦ１の透過率は、波長が増加するにしたがって概ね低下する。一方、フィルタＦ２の透過率は、波長が増加するにしたがって概ね上昇する。このようにペアフィルタＦ１，Ｆ２の透過率の波長依存性が互いに逆であることによって、包絡線ＥＶの強度（以下、包絡線強度ＥＬという場合がある）に関する光強度比と波長との１対１対応が成立する。

図６に示すように、フィルタＦ１，Ｆ２を通過した合波光パルス列ＭＰ１，ＭＰ２は、撮像カメラ４１，４２の受光部（図示略）に入射する。撮像カメラ４１，４２の各受光部の入力情報は、画像処理部５０に送信される。画像処理部５０は、例えばコンピュータである。画像処理部５０には、画像処理プログラム等のプログラムが内蔵されている。画像処理部５０は、プログラムを用いて撮像カメラ４１，４２からの入力情報を適宜処理する。

２次元分光装置１Ｃを用いた２次元分光法は、上述と同様の光パルス列照射工程と、干渉信号計測工程及び波長情報取得工程とを備える。

干渉信号計測工程では、被測定物体Ｓの測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列ＥＰのそれぞれと、分割光パルス列ＤＰ２とを、ビームスプリッター２２などを用いて合わせ、互いに干渉させる。被測定物体Ｓの測定領域ごとのスペクトル情報（波長情報）を取得するために、合波光パルス列ＭＰは、波長情報取得部８に送られる。

図９Ａ、図９Ｂ及び図９Ｃは、フィルタＦ１，Ｆ２の透過強度の遅延時間依存性を示す模式図である。波長情報取得工程では、遅延時間調整機構２６を用いて時間掃引をかけた合波光パルス列ＭＰを分岐して生成された合波光パルス列ＭＰ１，ＭＰ２は、図８に示す透過率の波長依存性を有するフィルタＦ１，Ｆ２のそれぞれを通過する。このことによって、図９Ａ及び図９Ｂのそれぞれに示すように遅延時間に伴って透過強度が変化する。撮像カメラ４１，４２を用いて、前述のように遅延時間に伴う合波光パルス列ＭＰ１，ＭＰ２の透過強度を取得できる。図９Ａ及び図９Ｂのそれぞれにおける破線は、フィルタＦ１またはフィルタＦ２を透過しなかった場合の合波光パルス列ＭＰ１，ＭＰ２の透過光強度を表す。

被測定物体Ｓの個々の測定領域は、撮像カメラ４１，４２の各画素に対応する。図９Ｃに示すように、フィルタＦ１，Ｆ２における透過強度の比をとると、それぞれのフィルタＦ１，Ｆ２の透過率比と等しい値が表れる。これらのことをふまえ、波長情報取得工程では、ペアフィルタＦ１，Ｆ２を用いることによって、撮像カメラ４１，４２で取得した被測定物体Ｓの測定領域ごとの包絡線強度ＥＬの比を画像処理部５０で算出する。撮像カメラ４１，４２の各画素について算出した包絡線強度ＥＬの比に基づいて、各画素の信号強度比を求め、包絡線強度ＥＬの分布内の各強度を発現する波長を決定する。決定された波長と包絡線強度ＥＬとの対応関係に基づいて、撮像カメラ４１，４２の各画素、すなわち被測定物体Ｓの各測定領域のスペクトル分布（波長情報）を取得する。

遅延時間調整機構２６を用いて、遅延時間を変化させたときの各遅延時間の波長情報を取得し、元の遅延時間に対する波長変化と比較する。このことによって、測定対象物における各波長の位相がどの程度変化したかということがわかり、位相スペクトルを計測できる。ただし、その場合の位相スペクトルの変化は、波長に対して一意に決まる位相スペクトルとなる変化に限られる。

以上説明したように、本実施形態の２次元分光法は、上述の光パルス列照射工程、干渉信号計測工程及び波長情報取得工程を備える。本実施形態の２次元分光法によれば、光パルス列照射工程において、光源３から発せられた光パルス列Ａ０の個々の光パルスＣＰ（ｋ）の波長幅（すなわち、チャープ量）を調整することによって、波長情報取得工程において取得する波長情報の分解能を変化させることができる。本実施形態の２次元分光法では、波長分解能は、干渉信号ＩＭＧの低周波領域のピークの波長幅によって決まる。このことをふまえ、光周波数コムをなす複数の周波数モードに関するパラメータ（繰り返し周波数ｆ_ｒｅｐやキャリア・エンベロップ・オフセットｆ_ＣＥＯなど）を制御することによって搬送波や包絡線を制御できる。適当な分散素子を用いることによって、チャープ光パルス列ＡＰの個々の光パルスＣＰ（ｋ）のチャープ量を所望の量に調整できる。上述のように、チャープ光パルス列ＡＰの光パルスＣＰ（ｋ）のチャープ量を大きくすることで、干渉信号ＩＭＧの低周波領域のピークの波長幅を狭くし、２次元分光法の波長分解能を高くすることができる。すなわち、本実施形態の２次元分光法は、分光測定における高解像度及び高分解能を両立できる。

チャープ光パルス列ＡＰの個々の光パルスＣＰ（ｋ）のチャープ量を調節する手法には、例えば、ハーフミラー１２と全反射ミラー１６との間に分散媒体を配置し、この分散媒体中に分割光パルス列ＤＰ１を通過させる手法がある。分散媒質の代わりに、例えば所定の長さを有するガラスロッドやシングルモードファイバや、回折格子対やプリズムペアを用いてもよい。このように、本実施形態の２次元分光法では、分光測定のキャリアである光パルス列のチャープ量を調整することによって、分光測定時の分解能を変えることができ、２次元分光装置１Ａ，１Ｂの大型化を抑えられる。

本実施形態の２次元分光法によれば、互いにチャープ量の異なる光パルスＣＰ（ｋ）が時系列に並んだチャープ光パルス列を用いてスペクトル干渉を行い、そのスペクトル干渉の結果に基づいて被測定物体Ｓの測定領域の波長情報を取得できる。また、分光測定のターゲット波長帯を含む波長帯の光を出射可能な光源、及びそのターゲット波長帯に感度を有する受光素子や検出器があれば、任意のターゲット波長帯の２次元分光を行うことができる。言い換えれば、本実施形態の２次元分光法は、使う波長に依存しない。また、分光測定のターゲットの波長帯は、ターゲットの波長帯に合わせて波長変換を行う、あるいはターゲットの波長帯の光周波数コムを用いることによって容易に調整できる。そのため、従来の分光法や分光装置のように、ターゲットの波長帯の変更に伴ってフィルタなどの光学部品を交換する必要もなく、非常に高価な超広帯域の光学部品を使用する必要もない。

本実施形態の２次元分光法によれば、前述のようにスペクトル干渉させる分割光パルス列ＤＰ２と受光対象光パルス列ＥＰとの相対チャープ量によって、波長分解能を決めるとともに、容易に調整できる。このことによって、従来のように空間情報の高解像度化または波長情報の高分解能化の何れか一方ではなく、高解像度化及び高分解能化を容易に両立できる。

本実施形態の２次元分光法によれば、空間情報の分解能は、被測定物体Ｓに分割光パルス列ＤＰ１を照射するために使われる照射光学系（例えば、対物レンズを含む）及び受光素子の画素サイズによって決まる。照射光学系におけるパラメータや受光素子の画素サイズを調整することによって、任意のターゲット波長で高解像度の分光計測画像を取得できる。なお、空間情報の最も高い分解能は、光源３から出射される光パルス列ＡＰの回折限界で決まる。

本実施形態の２次元分光法によれば、被測定物体Ｓの測定領域からの信号を、分割光パルス列ＤＰ２とのスペクトル干渉によって干渉信号ＩＭＧとして検出する。このことによって、干渉信号ＩＭＧの検出と同時に、被測定物体Ｓの測定領域（受光素子の一画素に相当）のそれぞれにおいて何色の信号に反応があったか、すなわちいずれの波長の信号に反応があったかが判明し、波長情報を瞬時に取得できる。このことによって、周囲環境の変化の影響を受けずに２次元分光を行うとともに、測定精度を向上させることができる。

本実施形態の２次元分光法及び２次元分光装置１Ｃによれば、ペアフィルタＰＦを用いるので、各フィルタＦ１，Ｆ２を通った合成光パルス列ＭＰ１，ＭＰ２について遅延時間に対して略単調変化する強度比が得られる。このことによって、合成光パルス列ＭＰ１，ＭＰ２の強度比と遅延時間（すなわち、波長）の組み合わせを一義的に決め、被測定物体Ｓの各測定領域における分光スペクトルを取得できる。このような手法は、任意のスペクトルを有する光を出射する光源に適用できる。また、被測定物体Ｓの各測定領域の波長情報を、撮像カメラ４１，４２の各画素で受光した強度に基づいて特定できる。

すなわち、本実施形態の２次元分光法及び２次元分光装置１Ｃによれば、２次元の空間情報及び１次元の波長情報からなる３次元情報を高精度に取得できる。本実施形態の２次元分光法及び２次元分光装置１Ｃによれば、１次元の波長情報を、単一の波長や色ではなく、スペクトルすなわち波長依存性を有する強度分布として取得できる。したがって、２次元分光装置１Ｃをターゲット波長域に依存しないハイパースペクトルカメラのように作動させることができる。

本実施形態の２次元分光装置１Ａ，１Ｂ，１Ｃによれば、高解像度及び高分解能の２次元分光を可能とし、上述の２次元分光法と同様の効果が得られる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は上述の特定の実施形態に限定されない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、変更可能である。

例えば、本発明の２次元分光法に用いるチャープ光パルス列は、上述の実施形態で説明したように光周波数コムによって生成されるものに限定されない。上述の実施形態では、分割光パルス列（第１の光パルス列及び第２の光パルス列）ＤＰ１，ＤＰ２の両方がチャープされ、互いにチャープ量が異なるものであったが、本発明では、第１の光パルス列及び第２の光パルス列の少なくとも一方がチャープされていてもよい。すなわち、第１の光パルス列及び第２の光パルス列の何れか一方のみがチャープフリーであっても構わない。

また、上述の実施形態では、被測定物体Ｓにおいて分割光パルス列ＤＰ１の進行方向の最も手前側の表面から反射した受光対象光パルス列ＥＰのみを考慮している。そのため、図５の＜Ｂ＞のグラフに示すように、干渉信号ＩＭＧには、波長軸上の縞間隔が最も広い干渉縞が１つだけ現れる。つまり、干渉信号ＩＭＧには、干渉縞周波数が最も低い波長を１つだけ示す干渉縞が現れる。しかしながら、被測定物体Ｓにおいて分割光パルス列ＤＰ１の進行方向の最も手前側の表面に加えて、例えば被測定物体Ｓの厚み方向の内部からも受光対象光パルス列ＥＰが反射される場合、複数の干渉信号ＩＭＧが得られる。つまり、被測定物体Ｓの厚み方向において受光対象光パルス列ＥＰが反射される位置の数と同数の干渉信号ＩＭＧを取得できる。これらの複数の干渉信号ＩＭＧによって、受光対象光パルス列ＥＰが反射される各位置について、干渉縞周波数が最も低い波長の情報が得られる。これらの複数の波長に基づいて、被測定物体Ｓの断層像が得られる。

被測定物体Ｓの断層像を得るためには、被測定物体Ｓとして、厚み方向に、光パルス列ＡＰの少なくとも一部を透過して受光対象光パルス列ＥＰを反射可能な部分を有する物体を配置する。
上述の実施形態の２次元分光装置１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおける被測定物体Ｓとして、光源３から出射される光パルス列ＡＰの波長帯において透過性を有する被測定物体Ｓを配置するだけで、被測定物体Ｓの断層像の計測が可能となる。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ・・・２次元分光装置
ＡＰ・・・光パルス列
ＤＰ１，ＤＰ２・・・分割光パルス列
ＥＰ・・・受光対象光パルス列
ＭＰ１，ＭＰ２・・・合成光パルス列
Ｓ・・・被測定物体

Claims

相対的なチャープ量が異なる第１の光パルス列及び第２の光パルス列を生成する光パルス列生成工程と、
前記第１の光パルス列を、被測定物体の互いに異なる測定領域に照射する光パルス列照射工程と、
前記第１の光パルス列が前記被測定物体の前記測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列のそれぞれと、前記第２の光パルス列とを干渉させて生成される干渉信号を計測する干渉信号計測工程と、
前記干渉信号から前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報を取得する波長情報取得工程と、
を備える２次元分光法。
前記光パルス列照射工程において、前記第１の光パルス列及び前記第２の光パルス列の少なくとも１つの光パルス列のチャープ量を調整することによって、前記波長情報取得工程において取得する前記波長情報の分解能を変化させる、
請求項１に記載の２次元分光法。
前記干渉信号は互いに異なり干渉縞周波数が最も低い波長を示す干渉縞を有し、
前記波長情報取得工程において、
前記干渉縞周波数が最も低い波長を前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報として取得する、
請求項１または請求項２に記載の２次元分光法。
前記波長情報取得工程において、
前記受光対象光パルス列に所定の遅延時間を付加して前記干渉信号を得るとともに、前記干渉信号を透過率の波長依存性を互いに逆としたフィルタを通過させた透過強度を取得し、取得した透過強度の比に基づいて前記被測定物体の前記測定領域ごとのスペクトル情報を取得する、
請求項１または請求項２に記載の２次元分光法。
相対的なチャープ量が異なる第１の光パルス列及び第２の光パルス列を生成する光源部と、
前記光源部から出射された前記第１の光パルス列を、被測定物体の互いに異なる測定領域に照射する光パルス列照射部と、
前記第１の光パルス列が前記被測定物体の前記測定領域のそれぞれに作用した後の複数の受光対象光パルス列のそれぞれと前記第２の光パルス列との干渉信号を生成する干渉信号生成部と、
前記干渉信号生成部で生成された前記干渉信号に基づいて前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報を取得する波長情報取得部と、
を備える２次元分光装置。
前記干渉信号は互いに異なり干渉縞周波数が最も低い波長を示す干渉縞を有し、
前記波長情報取得部では、
前記干渉縞周波数が最も低い波長が前記被測定物体の前記測定領域ごとの波長情報として取得される、
請求項５に記載の２次元分光装置。
前記干渉信号生成部は前記受光対象光パルス列に所定の遅延時間を付加する遅延時間調整機構を備え、
前記波長情報取得部は透過率の波長依存性が互いに逆になっているペアフィルタを備える、
請求項５に記載の２次元分光装置。